CN110380752A - 无线装置 - Google Patents
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Abstract
一个例子公开了一种用于改变无线装置的品质因数的电路：其中，所述无线装置包括天线调谐电路和通信信号接口；所述电路包括具有反馈电路的品质因数电路；其中，所述反馈电路被配置成联接在所述天线调谐电路和所述通信信号接口之间；其中，所述品质因数电路被配置成测量所述无线装置的天线系统带宽；并且其中，所述反馈电路被配置成如果所述测量带宽大于最大通信信号带宽，则将正反馈应用于所述天线调谐电路。
Description
技术领域
本说明书涉及用于无线装置的系统、方法、设备、装置、制品和指令。
背景技术
本文讨论了基于近场电磁感应(NFEMI)的身体通信和其它无线联网装置，其中发送器和接收器通过磁场和电场联接。尽管RF无线通信是通过将RF平面波传播通过自由空间来实现的，但是NFEMI通信利用非传播准静态场。
这些场的准静态特性是NFEMI天线尺寸与其载波频率相结合的结果。大多数近场能量以磁场和电场的形式存储，而少量RF能量不可避免地在自由空间中传播。
近场磁感应(NFMI)通信也可以用于此种身体通信，但是这些磁场不联接到身体。结果，相比于NFEMI装置，这些磁场装置可以更远离身体，并且仍然确保通信。然而，由于可穿戴装置中的小天线尺寸，NFMI范围比全身短得多。
发明内容
根据一个示例性实施例，一种用于改变无线装置的品质因数的电路：其中，无线装置包括天线调谐电路和通信信号接口；包括，具有反馈电路的品质因数电路；其中，反馈电路被配置成联接在天线调谐电路和通信信号接口之间；其中，品质因数电路被配置成测量无线装置的天线系统带宽；并且其中，反馈电路被配置成如果测量带宽大于最大通信信号带宽，则将正反馈应用于天线调谐电路。
在另一个示例性实施例中，最大带宽随无线装置接收的通信信号的类型而变化。
在另一个示例性实施例中，通信信号的类型是以下中的至少一种：NFEMI信号、NFMI信号、NFEI信号或RF信号。
在另一个示例性实施例中，反馈电路被配置成如果在通信信号接口处检测到以下中的至少一种：信号强度降低、幅度失真、相位失真、非线性群延迟或天线系统带宽增加，则增加正反馈。
在另一个示例性实施例中，反馈电路被配置成如果检测到无线装置中的振荡，则减小正反馈。
在另一个示例性实施例中，品质因数电路被配置成测量无线装置内的后续通信信号接收之间的天线系统带宽。
在另一个示例性实施例中，反馈电路被配置成从包含与一组测量天线系统带宽相对应的一组正反馈水平的表中标识正反馈的水平。
在另一个示例性实施例中，反馈电路被配置成如果测量带宽小于最大通信信号带宽，则进入待机模式。
在另一个示例性实施例中，反馈电路被配置成如果测量带宽小于最小通信信号带宽，则增加天线调谐电路中的电阻。
在另一个示例性实施例中，品质因数电路被配置成：将一组测试信号注入天线调谐电路；测量由天线调谐电路响应于测试信号生成的一组电压；并且基于测试信号和测量电压之间的比较来确定无线装置的天线系统带宽。
在另一个示例性实施例中，测试信号中的至少一个处于通信信号的中心频率。
在另一个示例性实施例中，测试信号中的至少两个与中心频率相等地偏移。
在另一个示例性实施例中，进一步包括无线装置；并且其中，正反馈减小了天线系统带宽并增加了无线装置的品质因数。
在另一个示例性实施例中，无线装置是以下中的至少一种：可穿戴装置、耳塞、腕带、智能手表或传感器。
在另一个示例性实施例中，无线装置被配置成接收器。
根据一个示例性实施例，一种制品，包括至少一个包含用于调整无线装置带宽的可执行机器指令的非暂时性有形机器可读存储介质，其包括：其中，无线装置包括天线调谐电路和通信信号接口；其中，该物品包括具有反馈电路的品质因数电路；其中，反馈电路被配置成联接在天线调谐电路和通信信号接口之间；其中，指令包括：测量无线装置的天线系统带宽；并且如果测量带宽大于最大通信信号带宽，则将正反馈应用于天线调谐电路。
在另一个示例性实施例中，指令进一步包括：如果测量带宽小于最小通信信号带宽，则增加天线调谐电路中的电阻。
以上讨论并不旨在表示当前或未来权利要求集的范围内的每个示例性实施例或每个实施方式。以下附图和具体实施方式还举例说明了各个示例性实施例。
结合附图考虑到以下具体实施方式，可以更全面地理解各个示例性实施例，在附图中：
附图说明
图1是用于无线装置的示例性近场电磁感应(NFEMI)天线。
图2是NFEMI天线的示例性理想化电气等同物。
图3是无线装置的示例性前端部分。
图4是被配置成发送通信信号的无线装置的例子。
图5是被配置成接收通信信号的无线装置的例子。
图6是用于改变无线装置的品质因数的电路的例子。
图7是无线装置的示例性传递函数。
尽管本公开可以进行各种修改和替代形式，但是其细节已经通过附图中的例子示出并且将被详细描述。然而，应该理解，除了所描述的特定实施例之外，其它实施例也是可能的。还包括落入所附权利要求的精神和范围内的所有修改、等同物和替代实施例。
具体实施方式
小天线几何形状对于NFMI和NFEMI天线是有效的，因为它们使自由空间中的辐射波最小化。
图1是用于无线装置的示例性近场电磁感应(NFEMI)天线100。在一些示例性实施例中，天线100包括线圈天线105(即，用于磁场)以及短加载偶极120(即，用于电场)。线圈天线105包括缠绕有线115的铁氧体芯110。短偶极120包括两个加载板125和130。天线100馈电点135联接到各个收发器电路(未示出)。
当NFEMI天线100靠近身体(例如，人、物体等)时，磁场和电场将基本上限制在身体内并且不会在自由空间中显著地辐射。这增强了此种身体联网通信的安全性和隐私性。
在各个示例性实施例中，天线100以50MHz或以下工作，以确保场沿着身体轮廓并确保远场辐射强烈减少。
图2是NFEMI天线100的示例性理想化电气等同物200。短加载偶极部分120由具有电容(Ca)和电阻(R1)的分流电路理想化。小环形天线部分105由具有电感(La)和电阻(R2)的串联电路理想化。
在50MHz或以下时，短加载偶极120由电容(Ca)支配，小环形天线105由电感(La)支配。在本例子中，小环形天线105和短加载偶极120被布置为并联电路，然而其它配置也是可能的。
图3是无线装置的示例性前端部分300。前端部分300包括联接到调谐电路140的天线100(示出为理想化NFEMI天线200)。调谐电路140包括可变调谐电容(Ct)和可变调谐电阻(Rt)。
调谐电路140将无线接收器的前端部分300与天线100一起置于谐振中，并设置带宽，用于将接收的通信信号发送到无线装置的后端部分或从无线装置的后端部分接收待发送的通信信号，如后续附图所示。
前端部分300被配置成在点302和304处联接到后端部分。Ct由控制器改变，并调整谐振频率。Rt也由控制器改变，并有助于调整无线装置的带宽(即，品质因数/Q因数)。
图4是被配置成发送通信信号的无线装置的例子400。例子400示出了无线装置的前端部分300和后端部分402。处于发送模式的后端部分402由电压源145表示，电压源145具有由等效电阻器示出的内部电阻。电压源145由通信信号接口404控制。通信信号接口404从基带电路(未示出)接收通信信号。
电压源145在点302和304处将电压(Vtx)应用于前端部分300。小环形天线105两端的电压(Vtx)生成通过线圈(La和R2)的电流。当线圈中的电流流动时，将生成磁场，该磁场是通过线圈的电流的线性函数。短加载偶极120两端的电压对加载板(125、130，又称Ca和R1)充电，并在加载板和其环境之间生成电场。生成的电场是加载板125和130两端的电压的线性函数。
两个场在性质上都是准静态的，并且在远场中基本上不辐射。
图5是被配置成接收通信信号的无线装置的例子500。例子500还示出了无线装置的前端部分300和后端部分402。然而，后端部分402处于接收模式。
通信信号由无线装置的前端部分300作为磁场和电场接收。由天线线圈部分105接收的磁场由感应电压155表示。由短加载偶极120接收的电场由感应电压150表示。
感应电压150和155被组合，由调谐电路140调整，并且联接到无线装置的后端部分402中的低噪声放大器(LNA)160。LNA 160的输入具有高阻抗特性，而其输出具有低阻抗特性。LNA 160接收并放大由电压(Vlna)表示的通信信号。LNA 160的输出联接到通信信号接口404。通信信号接口404将通信信号发送到基带电路(未示出)，以便以后进行基带信号处理。
因为两个感应电压150、155可以具有180度相位关系，所以它们在并联天线电路组合中加在一起。短加载偶极120中的感应电压150将根据以下计算产生一部分Vlna：
Vlna1＝V感应x Q x(Ca/(Ca+Ct)，其中Q是无线装置的品质因数，Ca是短加载偶极部分120电容，Ct是调谐电路140电容。
天线线圈部分中的感应电压155将根据以下计算产生一部分Vlna：
Vlna2＝V感应x Q，其中Q是无线装置的品质因数，并且Vlna＝Vlna1+Vlna2。
例如，在耳塞应用中，如果天线电容为3pF，调谐电容器为52pF，组合感应电压为1μV，则LNA 160处的电压(Vlna)为1.32μV。在本例子中，线圈天线部分105具有直径为2mm且长度为6mm且电感为3μH的铁氧体线圈，并且无线装置被调谐到中心频率为11MHz，带宽为450kHz。
然而，诸如助听器、耳塞和其它可穿戴器件之类的实际产品中的无线天线的体积有限并且在尺寸方面受到限制。它们的天线(例如，105、120)非常靠近机械组件定位。这种机械和机电组件至少部分是导电的，因此在无线装置中引入了额外的损耗，导致系统可能无法有效通信。
此额外的损耗有效地增加了电阻R2并减小了电阻R1，从而导致带宽扩大和品质因数减小，从而缩减了无线装置的通信范围并增加了群延迟和码间干扰，特别但不仅仅是当接收通信信号时。此种干扰的例子是无线装置，其中磁性天线线圈部分105非常靠近(例如，≤0.1mm)装置的电源(例如，电池)定位。
如上面的Vlna等式所示，该电压与天线Q因数线性相关。例如，由于天线在耳塞中的集成，Q因数从25减小到12。这导致接收电压(Vrx)降低6dB。链接预算可以定义为：
链接预算其中VTx是发送器天线上的发送器电压，VRx是接收器天线上的接收电压。对于恒定的发送电压(Vtx)，链路预算随接收电压(Vrx)线性降低，因此该降低在本例子中也是6dB。
如果在必要时(例如，在接收或发送模式中)可以增加无线装置的Q因数，则将实现更稳健的通信，特别是对于小型无线NFEMI或NFMI装置而言。
图6是用于改变被配置成接收通信信号的无线装置600的品质因数的电路的例子。无线装置600包括用于在必要时增加无线装置600的品质因数(Q因数)的电路，从而实现更稳健的通信，特别是对于处于接收模式的小型无线NFEMI或NFMI装置而言。
无线装置600包括前端部分300(在图3中介绍)，前端部分300包括具有可变调谐电容(Ct)和可变调谐电阻(Rt)的调谐电路140。
无线装置600包括后端部分402(在图3和4中介绍)。本示例性实施例中的后端部分402被配置成接收模式，并且包括LNA 160和基带电路604。还示出了通信信号接口404。
各个示例性实施例中的基带电路604包括其它无线电功能，例如频率转换、解调和/或其它输入/输出处理功能。在一些示例性实施例中，在射频通信集成电路(RF-IC)中实现了全部或部分无线装置。
无线装置600进一步包括品质因数电路602。品质因数电路602包括反馈电路605(包括移相器606和反馈放大器608)、信号发生器610、幅度检测器612、模数转换器(ADC)614和控制器616。各个例子中的控制器616包括查找表和/或存储器中的指令。
反馈电路605被配置成联接在天线调谐电路140和通信信号接口404之间。品质因数电路602被配置成测量和调整无线装置600的天线系统带宽。
反馈电路605被配置成如果测量带宽大于最大通信信号带宽，则将正反馈应用于天线调谐电路140，并且如果测量带宽小于最小通信信号带宽，则增加天线调谐电路140中的电阻。
因此，品质因数电路602在无线装置600工作时动态地且不断地调整正反馈的水平和调谐电路140电阻。例如，品质因数电路602可以被配置成测量无线装置600内的后续通信信号发送之间的天线系统带宽。然而，如果不需要校正，则可以将反馈电路605置于待机模式以节省电力。
最大和最小带宽随由无线装置600接收和/或从无线装置600发送的通信信号的类型而变化。通信信号的类型包括：NFEMI信号、NFMI信号、NFEI(近场电感应)和RF信号。
为了避免失真，无线装置600应该具有与无线信号的带宽相对应的带宽。此种无线信号带宽取决于无线信号的调制和数据速率。因此，在一些示例性实施例中，反馈电路605被配置成如果在通信信号接口404处检测到以下中的至少一种：信号强度降低、幅度失真、相位失真、非线性群延迟或天线系统带宽增加，则增加正反馈。
反馈电路605被配置成如果检测到无线装置600中的振荡，则减小正反馈。
为了优化控制，在一些示例性实施例中，反馈电路605可以被配置成从包含与一组测量通信信号带宽相对应的一组正反馈水平的表中识别正反馈的水平。
在各个示例性实施例中，控制器616集中控制所有品质因数电路602功能以及调谐电路140中的可变调谐电容(Ct)和可变调谐电阻(Rt)。移相器606确保来自低噪声放大器160的输出的反馈信号与点302和304之间的LNA 160输入信号同相。幅度检测器604被联接以在点302处对所接收的无线信号进行采样，并且模数转换器(ADC)614被配置成将从幅度检测器604接收的采样幅度数字化。
现在讨论控制器616如何测量、增加和减小无线装置600的带宽和品质因数的示例性细节。
在一个示例性实施例中，控制器616使信号发生器610同时注入(在点302处)三个不同频率的三个测试信号。在另一个示例性实施例中，按顺序注入三个测试信号。在其它示例性实施例中，使用多于或少于三个测试信号。
然后，控制器616经由ADC 614接收与来自幅度检测器604的测试信号相对应的测量电压，并计算无线装置600的通信信道带宽。控制器616基于测试信号和测量电压之间的比较来确定无线装置600的通信信号带宽。
可以使用各种偏移频率。例如，第一注入频率可以低于第二频率(即，无线装置600信道的中心频率)150kHz，并且第三频率可以高于第二/中心频率150kHz。
如果带宽太窄(即，Q因数太高)，则在无线装置600中增加额外的损耗将增加带宽并减小Q因数。为此，控制器616调整电阻器组Rt，以有效地增加短加载偶极部分120的电阻R1。此增加的电阻减小了无线装置600的品质因数。
如果带宽太宽(即，Q因数太低)，则在无线装置600中增加额外的增益将减小带宽并增加Q因数。为此，控制器616计算或访问包含无线装置600的增益设置与带宽的表。
控制器616激活移相器606和反馈放大器608电路，并基于所需的带宽/Q因数调整反馈放大器608的增益。反馈放大器608将放大的正反馈信号从LNA 160的输出处的通信信号接口404注入到点302和304两端的LNA 160输入。因此，无线装置600的Q因数可以增加，并且带宽可以减小。
现在讨论上述电路调整的示例性应用。大型可穿戴装置可以具有高达50的天线Q因数。这导致小型无线装置600带宽为209kHz，小环形天线105的电感为3.8μH。如果无线信号需要至少400kHz的通信带宽，则R1的有效电阻可以设置为14.7kΩ，以减小Q因数并扩大无线装置600的带宽。
然而，在小型可穿戴装置中，天线Q因数可能太低，使得无线信号在无线装置600的接收模式中在噪声中损耗。正反馈减小无线装置600的工作带宽，从而增加Q因数来获得更好的信号接收和/或发送。
各个示例性实施例中的无线装置600可以是可穿戴装置、耳塞、腕带、智能手表或传感器。
图7是无线装置600的示例性700传递函数。在本例子700中，小环形天线部分105具有3.8μH的电感，并且短加载偶极部分120具有4.7pF的等效电容。无线装置被调谐到10MHz的通信中心频率702。
对于在点302和304之间的LNA 160的输入处测量到无反馈电压波形708的情况，无反馈信号激活，并且带宽是1MHz，这是较低的波形。在这种情况下，谐振处的信号的幅度为44dBμV。
对于在点302和304之间的LNA 160的输入处测量到正反馈电压波形710的情况，正反馈信号由控制器606激活并对准。这里，带宽设置为600kHz，并且通信频率处的幅度为49dBμV。
在本例子700中，带宽具有所需的无线通信信号带宽，并且在链路预算中增益为5dB。
上面讨论的无线装置600的正反馈技术使得能够快速调整无线装置的带宽和Q因数。通过在无线装置的数据发送之间交错带宽和Q因数调整，可以在无线装置工作时连续地且动态地完成这种调整。这些正反馈技术还改善了此种无线装置的通信范围。
除非明确说明具体顺序，否则上述附图中讨论的各个指令和/或操作步骤可以以任何顺序执行。此外，本领域的技术人员将认识到，虽然已经讨论了一些示例性指令/步骤集，但是本说明书中的材料可以以各种方式组合以产生其它例子，并且将在本具体实施方式提供的上下文中理解。
在一些示例性实施例中，这些指令/步骤被实施为功能和软件指令。在其它实施例中，可以使用逻辑门、专用芯片、固件以及其它硬件形式来实施指令。
当指令被实现为非瞬态计算机可读或计算机可用介质中的一组可执行指令时，这些介质在用所述可执行指令编程且由其控制的计算机或机器上实现。加载所述指令以在处理器(例如，一个或多个CPU)上执行。所述处理器包括微处理器、微控制器、处理器模块或子系统(包括一个或多个微处理器或微控制器)或其它控制或计算装置。处理器可以是指单个组件或复数个组件。所述计算机可读或计算机可用存储介质被认为是物品(或制品)的一部分。物品或制品可以是指任何制造的单个组件或多个组件。本文定义的非瞬态机器或计算机可用介质排除了信号，但是此种介质可以能够接收和处理来自信号和/或其它瞬态介质的信息。
容易理解的是，如本文一般描述的和附图中示出的实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，如附图中所表示的各个实施例的详细描述并不旨在限制本公开的范围，而是仅代表各个实施例。虽然在附图中呈现了实施例的各个方面，但是除非特别指出，否则附图不一定按比例绘制。
在不脱离本发明的精神或基本特性的情况下，本发明可以以其它具体形式实施。所描述的实施例在所有方面都应被视为仅是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由本具体实施方式表示。在权利要求的含义和等同范围内的所有变化都包含在其范围内。
在整个本说明书中对特征、优点或类似语言的引用并不暗示可以用本发明实现的所有特征和优点在或应该在本发明的任何单个实施例中。相反，涉及特征和优点的语言被理解为是指结合实施例描述的具体特征、优点或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个本说明书中对特征和优点以及类似语言的讨论可以但不一定是指相同的实施例。
此外，本发明的所述特征、优点和特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。根据本文的描述，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有特定实施例的一个或多个具体特征或优点的情况下实践本发明。在其它情况下，在某些实施例中可以认识到另外的特征和优点，这些特征和优点可能并非存在于本发明的所有实施例中。
在整个本说明书中对“一个实施例(one embodiment/an embodiment)”或类似语言的引用是指结合所指示的实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个本说明书中的短语“在一个实施例中(in one embodiment/in anembodiment)”和类似语言可以但不一定全都是指相同的实施例。
Claims (10)
1.一种用于改变无线装置的品质因数的电路，其特征在于：
所述无线装置包括天线调谐电路和通信信号接口；
包括具有反馈电路的品质因数电路；
所述反馈电路被配置成联接在所述天线调谐电路和所述通信信号接口之间；
所述品质因数电路被配置成测量所述无线装置的天线系统带宽；并且
所述反馈电路被配置成如果所述测量带宽大于最大通信信号带宽，则将正反馈应用于所述天线调谐电路。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述反馈电路被配置成如果在所述通信信号接口处检测到以下中的至少一种：信号强度降低、幅度失真、相位失真、非线性群延迟或天线系统带宽增加，则增加所述正反馈。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述反馈电路被配置成如果检测到所述无线装置中的振荡，则减小所述正反馈。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述品质因数电路被配置成测量所述无线装置内的后续通信信号接收之间的所述天线系统带宽。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述反馈电路被配置成从包含与一组测量天线系统带宽相对应的一组正反馈水平的表中标识所述正反馈的水平。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述反馈电路被配置成如果所述测量带宽小于所述最大通信信号带宽，则进入待机模式。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述反馈电路被配置成如果所述测量带宽小于最小通信信号带宽，则增加所述天线调谐电路中的电阻。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述品质因数电路被配置成：
将一组测试信号注入所述天线调谐电路；
测量由所述天线调谐电路响应于所述测试信号生成的一组电压；并且
基于所述测试信号和所述测量电压之间的比较来确定所述无线装置的所述天线系统带宽。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
进一步包括所述无线装置；并且
所述正反馈减小了所述天线系统带宽并增加了所述无线装置的品质因数。
10.一种制品，其特征在于，包括至少一个包含用于调整无线装置带宽的可执行机器指令的非暂时性有形机器可读存储介质，其包括：
所述无线装置包括天线调谐电路和通信信号接口；
所述物品包括具有反馈电路的品质因数电路；
所述反馈电路被配置成联接在所述天线调谐电路和所述通信信号接口之间；
所述指令包括，
测量所述无线装置的天线系统带宽；并且
如果所述测量带宽大于最大通信信号带宽，则将正反馈应用于所述天线调谐电路。
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